Role of reactive oxygen species in adhesion of mesenchymal stem cells

Abstract

[한글]

심근 손상의 복원을 위한 줄기 세포 치료는 세포 -이식 후 세포의 적은 부착성에 의해 치료에 있어 제한을 받는다. 심근 경색 후 허혈은 활성 산소 종의 발생을 증가 시켜 중간엽 줄기 세포와 그 주변의 상호작용과 관련을 갖는다. 세포내의 활성 산소 종은 세포 부착, 유입과 증식에 있어서 중요한 역할을 한다. 중간엽 줄기 세포와 그 주변의 상호 작용에서의 활성 산소 종의 역할을 확인하고자 하였다. 과산화수소의 처리 후, 중간엽 줄기세포는 과산화수소의 농도가 증가함에 따라 분리가 되나, 유리기 scavenger인 NAC(N-acetyl-L-cysteine, 2 mM)을 처리하였을 경우 세포의 분리가 저해 되는 것을 확인할 수 있다. 섬유상 단백질이나 3차원 세포기질을 처리 한 배양 접시에 과산화수소를 50 μM 처리한 경우와 처리하지 않은 경우의 비교군 실험에서, 과산화수소의 처리가 이루어지지 않은 3차원 세포 기질의 배양접시에서 섬유상 단백질을 처리한 배양접시와 비교하였을 경우 두 배 가량 높은 양의 중간엽 줄기 세포의 부착 성이 보였다. 또, 과산화수소에 의해 세포 내 활성 산소 종의 생성이 70% 증가 하였다. FAK(Focal Adhesion Kinase) 인산화와 MAPK와 Src의 활성과 paxillin의 발현을 포함한 다른 하위 신호는 산화적 신호에 의해 의미 있게 감소하였다. 과산화수소를 처리한 중간엽 줄기세포의 발현은 FAK에서 77.1±2.8%, Src에서 62.2±4.3%, paxillin에서 36.2±4.8% 그리고 vinculin에서 29.6±2.6%, 각각 감소하였다. 또한, 세포 부착에서 주요한 물질인 integrin의 발현에서 대조 군과 비교 하여 과산화수소를 처리한 경우, Integrin αV와 fibronectin의 발현은 60%, 32.5% 그리고 integrin β1은 79.4% 감소하였다. H2O2 처리 이후, 중간엽 줄기세포의 부착에서 integrin-유도 활성 산소 종 생성의 조절과 관련이 있는 Small GTPase Rac-1의 발현은 과산화수소 처리 군에서 대조 군과 비교 하였을 경우 75.4% 감소했다. 결과적으로 활성 산소 종은 세포부착의 조절과 주변 상호 조절에서 세포부착과 하위 신호물질을 저해하는 것을 나타내었다. 이러한 결과로 경색된 심장의 중간엽 줄기세포 이식에 있어 더 나은 결과를 가져 오게 될 방법을 발견하게 만들 수 있을 것을 기대된다.

[영문]Stem cell therapy for repair of myocardial injury has inherent limitations due to the poor attachment of cells after cell transplantation. In ischemic surroundings after myocardial infarction (MI) and interaction of mesenchymal stem cells (MSCs) with niche is associated with increased production of reactive oxygen species (ROS). The intracellular ROS plays a key role in the regulation of cell adhesion, migration, and proliferation. This study was designed to investigate the role of ROS on MSC - adhesion. After treatment of H2O2 (50 μM) on MSCs, detachment of MSCs was dose-dependently increased, but cell detachment was inhibited by pretreatment with the free radical scavenger, N-acetyl-L-cysteine (NAC, 2 mM). The H2O2 treated MSCs were detached on 3D-matrix gel about 2 - fold, compared with fibronectin coated plate. Intracellular ROS production was enhanced about 70.0% in H2O2-treated cells compared with non-treated cells and phosphorylation of FAK (77.1 ± 2.8%) and Src (62.2 ± 4.3%) were decreased. Expression level of paxillin and vinculin was reduced to 36.2 ± 4.8% and 29.6 ± 2.6%, respectively in H2O2-treated MSCs. Expression of integrin-related adhesion molecules was also depressed; integrin αV (60.0%), integrin β1 (79.4%), and fibronectin (32.5%) in MSCs treated with H2O2. The transcript level of Rac-1 was decreased about 75.4% in H2O2-treated cells compared with non-treated cells. These results indicate that ROS suppress the cell adhesion and downstream signaling molecules in the regulation of cell adhesion. These results also contribute to a better understanding of the transplantation of MSCs on infarcted heart.